(57)【要約】 【課題】  大電流に対応した直流重畳特性の優れたインダクタンス部品を提供することを目的とする。【解決手段】  軟磁性材料粉末とバインダーを含む混和物を加圧成形してなる軟磁性磁芯２の内部に、巻線コイル３が封じ込まれた構造であり、巻線コイル３の巻線内周部６に巻線コイル３が形成する磁界とは逆向きの磁化を有する永久磁石７を軟磁性磁芯２の内部に少なくとも１個以上配置して一体化したインダクタンス部品。永久磁石の逆向きの磁界により巻線コイル３へ大電流を通電しても軟磁性磁芯２の磁気飽和が改善され直流重畳特性が改善される。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
軟磁性材料粉末とバインダーを含む混和物を加圧成形してなる軟磁性磁芯の内部に、巻線コイルが封じ込まれた構造の磁芯一体型のインダクタンス部品において、前記巻線コイルが形成する磁界とは逆向きの磁化を有する永久磁石が前記軟磁性磁芯の内部に少なくとも１個以上配置されていることを特徴とするインダクタンス部品。
【請求項２】
前記永久磁石は、１１９０ｋＡ／ｍ以上の固有保持力であり、３００℃以上のキュリー温度を有することを特徴とする、請求項１に記載のインダクタンス部品。
【請求項３】
前記永久磁石は、２−１７型ＳｍＣｏ希土類磁石粉末、Ｓｍ−Ｆｅ−Ｎ磁石粉末、Ｎｄ−Ｆｅ−Ｃｏ−Ｂ磁石粉末の少なくとも一種類以上とバインダーを含むボンド磁石であることを特徴とする、請求項１または請求項２に記載のインダクタンス部品。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、チョークコイル、トランス、インダクタなどの磁気素子であるインダクタンス部品に関し、特に、軟磁性材料粉末を用いた軟磁性磁芯と巻線コイルを一体化してなるインダクタンス部品に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、高周波用インダクタンス部品に用いられている磁芯としては、一般的にソフトフェライト焼結体、高珪素鋼薄板の積層体、あるいは純鉄粉、アモルファス鉄粉、Ｆｅ−Ｓｉ粉末、Ｆｅ−Ｃｒ−Ｓｉ粉末などの軟磁性粉末を用いた軟磁性磁芯がある。
【０００３】
これらの材料が使用される理由として、ソフトフェライトの場合は材料自体の比抵抗が高いこと、高珪素鋼の場合は薄板化が容易なこと、軟磁性磁芯の場合は軟磁性粉末材料自体の比抵抗が低くても高分子絶縁材料と複合化することで渦電流を小さくすることが出来ること、などのためである。
【０００４】
ところで、最近の各種電子機器の急激な小型化と高機能化に伴い、インダクタンス部品には、その小型化と同時に大きな直流電流下においても高いインダクタンス値が求められている。
【０００５】
これを達成するには、磁芯の飽和磁束密度と高周波での損失特性とを同時に向上させることが必要である。また、大電流化により、巻線コイルの電気抵抗に起因する銅損によるインダクタス部品の発熱が増大しており、この温度上昇を抑制する方法も求められている。
【０００６】
しかしながら、ソフトフェライトの場合、飽和磁束密度を向上させることは検討されてはいるものの、理論的な上限に近づいていて、殆ど改善されてないのが実情である。また、高珪素鋼の場合、材料自体の飽和磁束密度は高いものの、高周波帯域用に対応させるためには、高周波になればなるほど材料自体を薄板化し、積層枚数を多くしなければならないため、絶縁層が増加することにより積層材料自体の占積率が低下し、飽和磁束密度の低下を招くという問題がある。
【０００７】
一方、軟磁性磁芯は微細な粉末の粒子間に、高分子材料などの絶縁材料を挿入することによって高比抵抗化の実現が可能であり、Ｆｅ系の軟磁性粉末を使用した圧粉磁芯では、高い飽和磁束密度を確保できる。このことから、近年、大きく需要が伸長している高周波で且つ大電流を必要とするインダクタンス部品用の磁芯として、非常に適した材料となり得る。
【０００８】
また、このような軟磁性磁芯は、高密度成形することにより高飽和磁束密度を達成できる。しかしながら、この高密度成形技術にも限界が近づいており、高密度成形技術の改善が進んでいるものの、軟磁性磁芯の更なる高密度化は困難になってきている。また、大電流化に対応させるための直流重畳特性を改善する方策についても、まだ検討しなければならない課題である。
【０００９】
このような課題に対処する技術として、特許文献１、特許文献２には、巻線コイルと軟磁性金属粉末を用いた軟磁性磁芯を一体成形した構造で、直流重畳特性を改善する旨が開示されているが、軟磁性磁芯に用いる軟磁性粉末の飽和磁化にも限界があり、軟磁性粉末材料の改良による更なる大電流化への対応は難しい状況にある。
【００１０】
【特許文献１】特開平４−２８６３０５号公報
【特許文献２】特開２００２−３０５１０８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、直流重畳特性の改善により大電流に対応したインダクタンス部品を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は、前記課題を解決するために、インダクタンス部品の直流重畳特性を向上させる手段として、永久磁石により磁路に磁気バイアスをかけることを検討した結果なされたものである。
【００１３】
また、本発明においては、前記永久磁石として、１１９０ｋＡ／ｍ以上の固有保持力と、３００℃以上のキュリー温度を有する永久磁石を用い、小型で薄型であると共に大電流での良好な直流重畳特性を確保するために、永久磁石には２−１７型ＳｍＣｏ希土類磁石粉末、Ｓｍ−Ｆｅ−Ｎ磁石粉末、Ｎｄ−Ｆｅ−Ｃｏ−Ｂ磁石粉末から選ばれる少なくとも１種を構成要素とするボンド磁石を用いるインダクタンス部品である。
【００１４】
さらに本発明においては、軟磁性磁芯に６５〜８０％の粉末充填率と２０〜６０の高透磁率を付与するために、磁芯を構成する軟磁性粉末の粒度が、その粉末構成比において、粒子径が１５μｍ以下の粒子、及び粒子径が５０μｍ以上の粒子がそれぞれ１０質量％以下で、平均粒子径が２０〜３０μｍの正規分布を有する粉末と、平均粒子径が５μｍ以下の粉末、及び２０μｍ以上の粉末がそれぞれ１０質量％以下で平均粒子径が７〜１２μｍの正規分布を有する、少なくとも２種類以上の粉末により構成し、その粒度分布が２つ以上の独立したピークを有することが望ましい。
【００１５】
即ち、本発明によれば、軟磁性材料粉末とバインダーを含む混和物を加圧成形してなる軟磁性磁芯の内部に、巻線コイルが封じ込まれた構造の磁芯一体型のインダクタンス部品において、前記巻線コイルが形成する磁界とは逆向きの磁化を有する永久磁石が前記軟磁性磁芯の内部に少なくとも１個以上配置されているインダクタンス部品が得られる。
【００１６】
また、本発明によれば、前記永久磁石が１１９０ｋＡ／ｍ以上の固有保持力であり、３００℃以上のキュリー温度を有するインダクタンス部品が得られる。
【００１７】
また、本発明によれば、前記永久磁石は、２−１７型ＳｍＣｏ希土類磁石粉末、Ｓｍ−Ｆｅ−Ｎ磁石粉末、Ｎｄ−Ｆｅ−Ｃｏ−Ｂ磁石粉末の少なくとも一種類以上とバインダーを含むボンド磁石であるインダクタンス部品が得られる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明による巻線コイルと軟磁性磁芯を一体化されたインダクタンス部品によれば、製造コストが低減できることに加え、磁路の一部に巻線コイルが形成する磁界方向とは逆向きに着磁されたボンド磁石を挿入することで、従来に比べてもより大電流を通電することが可能となることから、安価で定格電流を高めたインダクタンス部品を供給することができる。また、本発明によれば、封入したボンド磁石による逆印加磁界効果から、０〜４５Ａまでインダクタンスの低下率が０〜１０％と安定した直流重畳特性を有するインダクタンス部品が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、本発明の実施の形態について説明する。
【００２０】
図１は、本発明の高周波用インダクタンス部品の基本構成に係る一例を示した外観斜視図である。また、図２は、図１に示す基本構成の巻線コイルの内周中央部に永久磁石を配置してなる本発明によるインダクタンス部品の一例を示す図で、図２（ａ）は平面図、図２（ｂ）は側面図である。
【００２１】
図１及び図２に示すように、本発明者らは、軟磁性金属粉末とバインダーにより構成される軟磁性磁芯の内部に巻線コイルが封じ込まれているとともに加圧成形されて一体化されているインダクタンス部品の磁路の一部に巻線コイルによる磁化方向とは逆向きに着磁された永久磁石を挿入し、巻線コイルによる磁化方向とは逆成分の磁束を発生させることで、実効磁束密度を大きくできることを見いだした。それにより、見かけ上、飽和磁束密度が向上し、巻線コイルへ大電流を通電した時においても軟磁性磁芯が磁化飽和しないインダクタンス部品を提供できる。
【００２２】
まず、軟磁性磁芯について説明する。軟磁性磁芯を構成する軟磁性粉末としては、アモルファス鉄粉、Ｆｅ−Ｃｒ−Ｓｉ粉末、純鉄粉、Ｆｅ−Ｓｉ粉末などが挙げられるが、基本的に粉末で得られる磁性体であれば、使用可能である。
【００２３】
また、軟磁性磁芯は、上記の軟磁性粉末とバインダーとで構成されている。バインダーは、シリコン樹脂、エポキシ樹脂、フェノール樹脂など、各種の熱可塑性高分子材料、熱硬化性高分子材料が使用可能である。この時、バインダーの添加量の範囲は、１００質量部の軟磁性粉末に対して、０．１〜５質量部の添加が好ましい範囲である。
【００２４】
またこの時、軟磁性粉末を、２水準以上の平均粒子径の粉末を組み合わせ、粉末粒度分布の最適化を図ることで、圧粉された軟磁性磁芯は、より高い軟磁性粉末充填率を有することができ、磁気飽和特性の優れたインダクタンス部品が得られる。
【００２５】
具体的に言えば、圧粉された軟磁性磁芯を構成する軟磁性粉末の粒度がその粉末構成比において、粒径が１５μｍ以下の粒子及び粒径が５０μｍ以上の粒子がそれぞれ１０質量％以下で平均粒子径が２０〜３０μｍの正規分布を有する粉末と、粒径が５μｍ以下の粉末及び粒径２０μｍ以上の粉末がそれぞれ１０質量％以下で平均粒子径が７〜１２μｍの正規分布を有する、少なくとも２種類以上の粉末により構成され、その粒度分布が２つ以上の独立したピークを有する混合粉末を調製し、軟磁性磁芯の成形体を得るようにすれば良い。
【００２６】
さらに、粒度分布の最適化により粉末充填率を高めたことで、より高い透磁率を有する圧粉磁芯を作製することが可能となる。
【００２７】
次に、巻線コイルについて説明する。巻線コイルとしては、断面形状が長方形の平角導体を、断面の長辺が巻線コイルの軸と垂直となるように巻き回したエッジワイズ巻のものを用いることにより、巻線コイルの占積率を向上することができる。また、図には特に示していないが、通常は平角導体の端末にフォーミングを施すことで、基板などへの実装用の端子とする。
【００２８】
最後に、永久磁石について説明する。ここで、永久磁石の種類は、２−１７型ＳｍＣｏ希土類磁石粉末、Ｓｍ−Ｆｅ−Ｎ磁石粉末、Ｎｄ−Ｆｅ−Ｃｏ−Ｂ磁石粉末から選ばれる少なくとも１種を構成要素とするボンド磁石であるが、リフロー条件及び耐酸化性を考慮すると、Ｔｃが３００℃以上、保持力が１１９０ｋＡ／ｍ以上の磁力は現状では上記の磁石に限定される。
【００２９】
また、前記巻線コイルに通電したときの発生磁束は、巻線コイル内部より外部へ放射状に分布する。ここで、ボンド磁石の挿入位置については、予め逆方向に着磁され、既に磁束を発生している永久磁石を挿入することによる漏洩磁束、或いはより効果的な逆磁界効果を考えると、巻線コイルの内周側中央部に挿入することが望ましい。
【００３０】
このとき挿入する永久磁石の大きさは、その外径ができる限り巻線コイル内径に近く、厚みは、厚い方がより高い逆磁界発生効果を得ることができ、直流重畳特性も大幅に向上するので、より高い電流まで対応できることから、定格電流をさらに大きくすることができる。
【００３１】
また、インダクタンス部品のインダクタンスも、挿入する磁石の厚みに依存して変動し、厚いと低く、薄いと高くなることから、磁石の厚みを変更することで、さまざまなインダクタンス値の要求にも対応可能である。
【００３２】
以上、述べてきた軟磁性磁芯、巻線コイル、永久磁石を組み合わせることで、高いインダクタンスを維持した状態で、大電流にも対応可能な優れた直流重畳特性を有するインダクタ部品の製造が可能となり、同じ形状であれば、より定格電流を高めたインダクタンス部品の提供が可能になる。
【実施例】
【００３３】
以下、実施例により本発明をさらに詳細に説明するが、本発明は下記実施例に制限されるものではない。
【００３４】
ここでは、圧粉してなる軟磁性磁芯２を構成する軟磁性粉末として、アモルファス鉄粉とＦｅ−９．５Ｓｉ−５．５Ａｌなる組成の合金粉末を質量比で５０：５０の割合で混合したものを用いた。また、この軟磁性粉末にバインダーとして、軟磁性粉末１００質量部に対して、３質量部のシリコン樹脂を加えた。
【００３５】
また、巻線コイル３には、断面の寸法が１．２ｍｍ×０．４ｍｍの銅線にポリアミドイミドの絶縁被覆を施した平角導体を使用し、図１及び図２に示すように、巻数３．５ターンのエッジワイズ巻のものを用いた。
【００３６】
このとき、インダクタンス部品１は巻線コイル３への巻線通電時の発生磁界量が、巻線部４の内周部分が最も高いことから、永久磁石７による効率的な逆磁界効果を得るために永久磁石７を巻線コイル３の巻線部４の中央内部に配置し、形状を１０ｍｍ×１０ｍｍ×４ｍｍとした。
【００３７】
また、本発明である磁路中、すなわち巻線部４の内周側である巻線内周部６の中央部に挿入した永久磁石７の厚みｔを変えたときのインダクタンス部品１への逆磁界発生量を表１に示す。
【００３８】
【表１】
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【００３９】
表１から明らかなように、永久磁石７の挿入により発生する逆磁界は、永久磁石７の厚みｔに依存し増減する傾向があるが、コア材の透磁率μが１５のとき、永久磁石の厚みｔ／インダクタンス部品１の厚み＝１２．５％の厚み、すなわち０．５ｍｍと極めて薄い永久磁石を挿入しても、１２２ｍＴの磁界であり逆磁界としては十分な磁束を発生させることができる。
【００４０】
また、永久磁石７の挿入により発生する逆磁界は、軟磁性磁芯２の透磁率にも依存して増減する傾向があり、軟磁性磁芯２の透磁率μが６０においては０．５ｍｍの永久磁石を用いても約２００ｍＴと高い逆磁界を発生している。ここで使用した永久磁石７の磁気特性を表２に示す。
【００４１】
【表２】
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【００４２】
表２から明らかなように、永久磁石７の磁気特性としては弱いレベルのボンド磁石を使用したにも係わらず、表１に示したような高い逆磁界の発生を確認することができた。即ち、今回実験に用いた２−１７型Ｓｍ−Ｃｏボンド磁石以外にも、上記特性以上の値を満足する永久磁石であれば材質に関係なく高い逆磁界効果が得られることがわかった。
【００４３】
また、Ｓｍ−Ｆｅ−Ｎボンド磁石、Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ系ボンド磁石或いはＮｄ−Ｆｅ−Ｂ−Ｃｏ系ボンド磁石或いはR−Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ−Ｃｏ系ボンド磁石（ＲはＮｄ以外の全ての希土類の１種類から全種類）、または１−５型Ｓｍ−Ｃｏ焼結磁石、２−１７型Ｓｍ−Ｃｏ焼結磁石、Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ焼結磁石、Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ−Ｃｏ焼結磁石、Ｒ−Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ−Ｃｏ系焼結磁石（ＲはＮｄ以外の全ての希土類のうち１種類から全種類）でも十分高い逆磁界発生効果が得られることを確認した。
【００４４】
表３に、本発明のインダクタンス部品１に使用した軟磁性粉末の３水準の平均粒子径における粒度分布を示す。
【００４５】
【表３】
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【００４６】
この３水準の軟磁性粉末を適当な比率にて混合し、インダクタンス部品１の成形圧力に対する粉末充填率を評価した。
【００４７】
表４に、本発明のインダクタンス部品１における軟磁性粉末の構成比率と、そのときの成形圧力に伴う軟磁性粉末の充填率の変化を示す。
【００４８】
【表４】
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【００４９】
表４から明らかなように、軟磁性磁芯２を構成する軟磁性粉末の種類が一種類にて構成される試料名Ａの場合、成型圧力が４．５ｔｏｎ／ｃｍ2のとき軟磁性粉末の充填率が５６．１％、２０ｔｏｎでも７３．０％程度である。
【００５０】
また、軟磁性磁芯２を構成する軟磁性粉末の水準を試料名Ｂ、試料名Ｃのように２水準以上とすることで、４．５ｔｏｎ／ｃｍ2の低圧において６７．０〜７４．５％と軟磁性粉末の充填率が向上し、２０ｔｏｎ／ｃｍ2においては７９．０〜８３．４％と高い軟磁性粉末の充填率が得られることが確認された。これは２水準以上の粒子径の軟磁性粉末を用いることは、軟磁性粉末の充填率の向上に非常に有用であり、本構成の軟磁性粉末をインダクタンス部品１に用いることで、より高いインダクタンスを得る事が可能となる。
【００５１】
次に、本発明によるインダクタンス部品１に負荷電流を加えたときの、インダクタンスの変化率を表５に示す。また、表５のデータをグラフ化して図３に示す。
【００５２】
【表５】
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【００５３】
表５及び図３から明らかなように、永久磁石を挿入しない従来構造のインダクタ部品においては、直流重畳特性が悪く、１Ａからインダクンスの低下傾向が認められ、２０Ａで１５％、４５Ａでは約４０％と大幅なインダクタンスの低下がみられる。一般にインダクタンスの変化率としては、１０％以下である必要があることから、この従来構造のインダクタ部品は、定格電流として１５Ａ程度が限界である。
【００５４】
これに対して、本発明による永久磁石７を挿入したインダクタンス部品１においては、４５Ａの負荷電流においても殆ど変化が無く、優れた直流重畳特性を示しており、定格電流を４５Ａとしても問題なく使用可能なことが確認された。尚、インダクタンスの変化率は、電流値Ｉが０Ａのときのインダクタンスを各負荷電流時におけるインダクタンスにて割った値である。
【００５５】
また、透磁率μが６０になると低下傾向を示す試料もあるが、それでも４０Ａでインダクタンスの変化が１０％の低下率と優れた直流重畳特性を示し、定格電流４０Ａにしても何ら問題なく使用可能なことが確認された。
【００５６】
以上のことから、実施例に記載の内容からなる本発明によるインダクタ部品とすることで、従来、定格電流が１５Ａ程度が限界であったものを４５Ａまで上げることが可能となったことで、近年のクロック周波数の増加に伴う大電流（〜１００Ａ）を必要とする次世代ＣＰＵに対応できるインダクタンス部品を提供することができる。
【産業上の利用可能性】
【００５７】
本発明によるインダクタンス部品は、永久磁石の挿入による逆磁界効果により直流重畳特性の高い安定性を有することから、各種電子機器の電源用部品であるチョークコイル、トランス等への適用が好適である。
【００５８】
また、微細な粒径の軟磁性粉末で成形された軟磁性磁芯によれば、更に高周波で用いられる高性能のインダクタンス部品を作製出来る。更に、これらの微細な粒径の軟磁性粉末で成形された軟磁性磁芯を用いたインダクタンス部品において、巻線コイルが軟磁性磁芯の磁性体内に封じ込まれているとともに加圧成形を施されて一体化する事によって、小型で大電流に対応したインダクタンス部品を作製でき、６０Ａ以上の大電流を必要とする次世代の各種電子機器への応用が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】本発明の高周波用インダクタンス部品の基本構成に係る一例を示した外観斜視図。
【図２】図１に示す基本構成の巻線コイルの内周中央部に永久磁石を配置してなる本発明のインダクタンス部品の一例を示す図、図２（ａ）は平面図、図２（ｂ）は側面図。
【図３】本発明の実施例に係わる負荷電流とインダクタンス変化率の関係を示す図。
【符号の説明】
【００６０】
１    インダクタンス部品
２    軟磁性磁芯
３    巻線コイル
４    巻線部
５    端子
６    巻線内周部
７    永久磁石、ボンド磁石
【図１】
2006245418.tif 000008
【図２】
2006245418.tif 000009
【図３】
2006245418.tif 000010